插装式回油单向阀流道振荡分析

插装式回油单向阀流道振荡分析

在液压库的引导系统中，通常在返回油路和油藏之间设置单向油单向阀，如yzc10系列链式振动压路机的液压路机、yw100挖掘机的液压机以及ty20挖掘机的液压机。当回油流量较大时，回油单向阀通常采用安装式结构。以保持一定的回油压力,减小启动时液压冲击,提高系统执行元件工作的平稳性。油液在插装式单向阀内部流道中的流动状况非常复杂,阀内流道流场的速度分布、压力分布对阀的性能产生较大影响,如果插装式单向阀结构设计不当,回油流量较大时容易出现阀芯振荡,从而导致系统回油压力振荡、影响系统工作可靠性、破坏密封等一系列不良后果。根据插装式回油单向阀阀芯振荡的现象,利用Fluent流场仿真软件并结合实验,定性地分析插装式单向回油阀阀内的流场特性,探讨发生插装式单向阀阀芯振荡的主要原因以及解决的方法。1阀芯下节流口设置插装式回油单向阀主要由控制盖板1、阀块2、阀套3、阀芯4等组成(图1)。阀块和控制盖板设有控制油通道6至阀芯上部控制腔,在此通道上设有节流孔5。稳态时至插装式单向阀控制腔及控制油通道压力油无流动,故对流动区域予以简化。计算区域如图2所示,进口管路直径D1=50mm,长度L1=100mm,阀口开度为h,阀芯直径D3=55mm,半锥角30°,出口管路直径50mm,长度L2=300mm。2数学模型与边界条件由于通过插装式单向阀的流量较大,所以油液在阀内是湍流流动,可以采用标准κ-ε湍流模型进行求解。2.1流体密度量方程考虑到插装式单向阀结构的对称性,将其简化为轴对称二维模型,并假设流体为不可压缩粘性流体。质量方程为:∂ui,av∂xi=0(1)∂ui,av∂xi=0(1)动量方程为:∂ui,av∂t+uj,av∂ui,av∂xj=-1ρ∂p∂xi+υ∂ui,av2∂xj∂xj+1ρ∂(-p¯u′iu′j)∂xj(2)∂ui,av∂t+uj,av∂ui,av∂xj=−1ρ∂p∂xi+υ∂ui,av2∂xj∂xj+1ρ∂(−pu′iu′j¯¯¯¯¯¯¯¯)∂xj(2)式中:ui,av为平均速度,m/s;u′i为i方向的脉动速度分量,m/s;u′j为j方向的脉动速度分量,m/s;ρ为流体密度,kg/m3;p为平均压力,Pa;υ为运动粘度,m2/s。2.2utc料标准κ-ε湍流模型采用了Boussinesq涡粘假定:-ρ¯u′iu′j=ut(∂ui,av∂xj+∂uj,av∂xi)-23ρκδij(3)在高雷诺数时,湍动粘度ut=ρcuk2ε湍动能κ输运方程为:∂(ρk)∂t+∂(ρkui)∂xi=∂∂xi[(u+utσk)∂k∂xj]+Gk-ρε(4)湍流耗散率ε输运方程:∂(ρε)∂t+∂(ρεui)∂xi=∂∂xj[(u+utσε)∂ε∂xj]+C1εkGk-C2ερε2k(5)湍动能和耗散率生成项公式:Gk=ut(∂ui∂xj+∂uj∂xi)∂ui∂xj(6)模型中常数项取值分别为c1ε=1.44,c2ε=1.92,cu=0.09,σk=1.0,σε=1.32.3进口速度v仿真计算时进口边界条件设为速度进口,液流沿轴向均匀流入,进口速度v=4Q/πD21(单位:m/s);出口边界条件设为压力出口,压力值为30000Pa(表压);油液密度ρ=860kg/m3;运动粘度υ=4×10-5m2/s。3模拟分析3.1阀口压差-进口流量曲线仿真结果利用Fluent流场仿真软件对插装式单向阀在进口流量为20L/min、60L/min、120L/min、180L/min、240L/min、300L/min、360L/min条件下分别进行了仿真计算,得到阀口压差-进口流量曲线并与实验结果比较,基本吻合(图3),当进口流量大于240L/min时偏差增大,在进口流量360L/min时,相对误差增大到6.5%。偏差增大的原因是:(1)实际情况下阀内流体的流动并不是简单的二维流动,而是复杂的三维流动。进口流量增大时,阀内流态远比小流量时复杂,流体在阀腔和流道中的流动存在着更多能量损失,导致压差的进一步增大。(2)标准κ-ε湍流模型本身的局限,还不能完全模拟实际条件的各种复杂的流态。3.2流断面缩小插装式单向阀进口流量为240L/min、阀芯升程3.5mm时仿真得到的速度矢量图(图4)可知:(1)在阀口节流处过流断面突然缩小,流体高速喷出,压力急剧降低。阀口喷出的液压油的大部分以较大的速度沿出口管路底部呈径向扇形流出。(2)阀出口流道上部形成一个很大的漩涡,占据了出口流道中的大部分区域,漩涡的产生主要是因为流体粘性的存在,在流速很高的主流带动下,流体层与层之间速度梯度很大,相互之间产生很大的剪切力,在剪切力的作用下流道上部区域的流体产生旋转形成了漩涡。3.3不同进口流量下的涡流分布插装式单向阀进口流量分别为240L/min、360L/min的流线图(图5),图中清晰地显示了阀出口流道漩涡的存在,随着进口流量的增大,漩涡尺度变大,由流线的密集程度也可以反映出漩涡的强度也变大。进口流量越大,则Re数越大,粘性力相对惯性力所占比重越小,所以粘性力对流体的约束减弱,涡动的强度越剧烈。漩涡不断从主流中吸收能量,导致漩涡区压力降低。阀进口流量为180L/min、240L/min、300L/min、360L/min时沿Y=0.14m的压力分布如图6所示,压力分布呈V形,不同进口流量的压力分布的趋势趋于一致,最低压力点接近涡旋中心。随着进口流量的增加,涡旋区压力降低的幅度也加大甚至出现负压;进口流量为240L/min时,漩涡区域出现了负压。进口流量为360L/min时,负压区域扩大,最低压力进一步降低。3.4回油压力振荡插装式回油单向阀阀芯控制腔的控制油通道如直接从出口流道引出,由于在大流量时出口流道内会形成漩涡出现负压区,当压力低于空气分离压时,油液中的空气析出,极易进入控制腔,空气的粘性系数极小,节流孔失去阻尼作用,在进口油液的冲击下,导致阀芯振荡,阀芯振荡引起回油压力振荡。4控制腔控制油通道回油单向阀出口流道2.大流量下引起回油压力振荡是插装式回油单向阀阀芯控制腔的控制油通道直接从出口流道引出造成的,解决此问题可以采取改变控制腔的控制油通道从插装式回油单向阀出口流道的另一端引出(图1虚线所示),因此处油液流速远小于出口流道中的流速,工程实践表明,能够有效地消除阀芯振荡和回油压力振荡现象,图3实验曲线就是在改变控制腔的控制油通道,消除回油压力振荡后得到。5插装式单向阀出口流道特性本文通过建立标准κ-ε湍流模型,对插装式回油单向阀流场进行了仿真研究,分析了回油压力振荡的原因,结论如下:(1)大流量